本發(fā)明屬于能源材料和鋰離子電池制備技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種利用對(duì)苯二甲酸及其衍生物的制備鋰的過渡金屬氧化物的方法。
背景技術(shù):
近年來,隨著能源、環(huán)境等問題的日益加劇以及電子產(chǎn)品輕量化的要求,作為目前具有最高能量密度和功率密度的二次電池,鋰離子電池成為解決當(dāng)代環(huán)境和能源問題的首選技術(shù)。近年來,在高能電池領(lǐng)域中鋰離子電池已取得巨大進(jìn)步,但距離應(yīng)用于電動(dòng)汽車(EV)、混合電動(dòng)汽車(HEV)等領(lǐng)域仍有差距,關(guān)鍵問題在于研究和開發(fā)新的高能量密度電極材料。
鋰離子電池的電極材料特別是正極材料,是制約鋰離子電池能量密度的關(guān)鍵之一。常用的合成方法主要有固相法、共沉淀法和溶膠凝膠法等。固相法存在生產(chǎn)能耗大、原料混合難以均勻、顆粒團(tuán)聚難以制備納米材料和具有特殊形貌材料等問題。共沉淀法和溶膠凝膠法是制備鋰離子電極材料常用的技術(shù)手段,這兩種方法具有原料混合均勻、操作簡單可以制備納米材料等優(yōu)點(diǎn),但也存在一定的局限性。例如,對(duì)于不易發(fā)生沉淀反應(yīng)的金屬離子,或是不易發(fā)生水解聚合反應(yīng)的金屬離子,采用共沉淀或溶膠凝膠法則很難得到目標(biāo)產(chǎn)物;另外,對(duì)于多元金屬氧化物,由于每種離子的反應(yīng)速率不同,往往在合成過程中不易精確控制化合物的元素計(jì)量比而出現(xiàn)雜相,從而影響到產(chǎn)物的性能。并且,這兩種方法雖然能夠調(diào)控材料的形貌并合成亞微米級(jí)甚至納米級(jí)材料,但需要對(duì)pH、攪拌速度、沉淀劑加入速度以及絡(luò)合劑、反應(yīng)時(shí)間等諸多因素進(jìn)行優(yōu)化、選擇和調(diào)控,因此難度較大。
配位聚合物法則避免了這些問題,通過配位化合物分子鏈上的羥基、羧基、氨基等與過渡金屬離子進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng),可制備種類繁多的金屬氧化物;且因其強(qiáng)配位作用可合成出兩元或多元金屬氧化物,同時(shí)還可控制各金屬元素的計(jì)量比;合成條件簡單易控,借助配位調(diào)節(jié)劑(單齒羧酸化合物、含氮雜環(huán)配合物和表面活性劑)可在較低溫度下(<100℃)可調(diào)控配位聚合物前驅(qū)體的粒徑、特殊形貌及特定晶面的優(yōu)勢生長;還可通過將配位聚合物熱處理或高溫煅燒制得具有特殊形貌和特定晶面的金屬氧化物。因此,近年來配位聚合物法在鋰離子電池領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。2009年Tarascon課題組以對(duì)苯二甲酸為有機(jī)配體合成Li2C8H4O4材料,作為鋰離子電池負(fù)極材料首次放電比容量為300mAh/g,充放電次后容量保持率為78%(Nat.Mat.8,120-125(2009):“Conjugated dicarboxylate anodes for Li-ion batteries”)。武漢大學(xué)曹余良等人利用(NH4)2S2O8和丙烯酸將Li+,Ni2+和Mn2+進(jìn)行配位、聚合制得金屬-有機(jī)聚合物,后經(jīng)過熱處理和煅燒過程制備得到的Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2具有優(yōu)異的電化學(xué) 性能,可逆比容量可高達(dá)311mAh/g,70次循環(huán)后容量保持率為83.8%(RSC Adv.,2012,2,3423–3429:“Improved electrochemical performances of nanocrystalline Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2 cathode material for Li-ion batteries”)。Zhongxue Chen等人利用酚醛樹脂和F127制得金屬-有機(jī)配位聚合物前驅(qū)體,再經(jīng)熱處理和高溫煅燒得到了納米片狀的LiNi0.5Mn1.5O4。材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能,以20C放電時(shí)的比容量可達(dá)118mAh g-1,1C充、放電循環(huán)時(shí)500次后的容量保持率為86%(J.Mater.Chem.,2012,22,17768–17772:“Surface-oriented and nanoflake-stacked LiNi0.5Mn1.5O4 spinel for high-rate and long-cycle-life lithium ion batteries”)。
因此,盡管近年來配位聚合物法在制備高性能的鋰離子電極材料上取得了巨大進(jìn)步,但還沒有一種能夠合成具有特殊形貌、尺寸可調(diào)的鋰離子電池用正極材料且具有成本低廉、普適性和反應(yīng)條件易控制等特點(diǎn)的合成方法。
本發(fā)明選用成本低廉、產(chǎn)量豐富的對(duì)苯二甲酸及其衍生物為配體,利用過渡金屬離子與配體中羧基的絡(luò)合反應(yīng)形成金屬有機(jī)配合物,并借助配位調(diào)節(jié)劑(單齒羧酸化合物、含氮雜環(huán)配體和表面活性劑等)可制得具有特殊形貌和(納米-微米)尺寸可調(diào)的金屬-有機(jī)配位聚合物前驅(qū)體材料,后經(jīng)熱處理和與鋰源的高溫固相反應(yīng)制備出兩元或多元的鋰的過渡金屬氧化物。該方法工藝簡單、成本低廉,適合規(guī)?;苽滗嚨倪^渡金屬氧化物正極材料。該方法制備的氧化物材料晶型好、雜相少,且能保持與金屬-有機(jī)配位聚合物相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——粒徑可控,且具有特殊形貌和特定晶面,用作鋰離子電池正極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種制備鋰的過渡金屬氧化物的普適性強(qiáng)、易放大生產(chǎn)的方法,該方法以成本低廉的對(duì)苯二甲酸及其衍生物為配體,以聚合物前驅(qū)體法可制備具有不同組成和晶體結(jié)構(gòu)的鋰的過渡金屬氧化物,且借助配位調(diào)節(jié)劑可控“前驅(qū)體-氧化物”的形貌和尺寸,使材料獲得優(yōu)異的電化學(xué)性能。
本發(fā)明提供了一種利用對(duì)苯二甲酸及其衍生物的制備鋰的過渡金屬氧化物的方法。
首先利用對(duì)苯二甲酸及其衍生物與多種金屬離子的絡(luò)合反應(yīng)形成金屬-有機(jī)配位化合物,并利用液相反應(yīng)實(shí)現(xiàn)金屬-有機(jī)配位化合物的自組裝,并借助配位調(diào)節(jié)劑獲得具有不同形貌和尺寸的金屬-有機(jī)配位聚合物前驅(qū)體,后經(jīng)熱處理得到金屬氧化物,再與鋰源通過高溫煅燒制得鋰的過渡金屬氧化物;
所制備的鋰的過渡金屬氧化物正極材料是具有尖晶石結(jié)構(gòu)的Li1+xNiyMzMn2-y-zO4-△材料,或是具有層狀結(jié)構(gòu)的a Li2M’O3·(1-a)LiM”sR1-sO2材料;其中,-0.1≤x≤0.2,0≤y≤0.6,0≤z≤1.25,0≤y+z≤1.25,0≤△≤0.05;0≤a<1,0.8≤s≤1;M為Co、Cr、Zr、Cu、Fe、Al、Zn、Nb、Mo、Rh、Ru、Ir、Sn中的一種或兩種以上;M’為Mn、Mo、Rh、Ru、Ir、Zr、Sn中的一種或者兩種以上;M”為Ni、Mn、Co中的一種或兩種以上;R為Cr、Zr、Cu、Fe、 Al、Zn、Nb中的一種或兩種以上。
該方法的具體步驟為:
(1)將對(duì)苯二甲酸及其衍生物和配位調(diào)節(jié)劑溶解于水或有機(jī)溶劑或兩者的混合溶劑中制成溶液A,對(duì)苯二甲酸及其衍生物的濃度為0.01~5mol/L,配位調(diào)節(jié)劑的濃度為0.005~0.1mol/L;將可溶性金屬化合物溶解于水或有機(jī)溶劑或兩者的混合溶劑中,配制成溶液B,濃度為0.01~5mol/L;
(2)將配位化合物溶液A滴加到金屬化合物溶液B中制得母液C,將母液C在10~95℃下進(jìn)行液相反應(yīng),反應(yīng)時(shí)間3~72h,陳化時(shí)間為6~24h,其中溶液A和溶液B的體積比為0.2~2:1;
(3)將步驟(2)中的產(chǎn)物離心、水洗后干燥,得金屬-有機(jī)配位聚合物前驅(qū)體;
(4)將金屬-有機(jī)配位聚合物前驅(qū)體在管式爐中于400~900℃中焙燒0.5~6h,制得金屬氧化物;
(5)將金屬氧化物與鋰源進(jìn)行球磨混合,球料比為4~15:1,球磨時(shí)間2~12h;
(6)將步驟(5)中制得的混合物于500~1100℃下煅燒5~24h,制得鋰的過渡金屬氧化物。
步驟(1)中所述的對(duì)苯二甲酸及其衍生物為對(duì)苯二甲酸、對(duì)苯二甲酸鋰、對(duì)苯二甲酸鈉、對(duì)苯二甲酸鉀、四氯對(duì)苯二甲酸、四氟對(duì)苯二甲酸中的一種或兩種以上。
步驟(1)中所述的配位調(diào)節(jié)劑為單齒羧酸化合物、含氮雜環(huán)配合物和表面活性劑中的一種或兩種以上;
步驟(1)中所述的配位調(diào)節(jié)劑中的單齒羧酸化合物為甲酸、乙酸、草酸、甲酸鈉、乙酸鈉、草酸鈉中的一種或者兩種以上;含氮雜環(huán)配合物為1-甲基咪挫、正丁胺中的一種或者兩種以上;表面活性劑為PVP、TMAN、TMDP、CTAB、P123、F127、SDSB中的一種或者兩種以上。
步驟(1)中所述的金屬化合物為含有單一金屬離子的鹽類;具體為乙酸鹽、硫酸鹽、氯化鹽、硝酸鹽中的一種或兩種以上。
步驟(1)中所述的有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、乙二醇、異丙醇、聚乙二醇、二甲基亞砜中的一種或兩種。
步驟(2)中所述的液相反應(yīng)溫度優(yōu)選為30~75℃,反應(yīng)時(shí)間優(yōu)選為8~24h,陳化時(shí)間優(yōu)選為8~16h。
步驟(5)中所述的鋰源為乙酸鋰、氫氧化鋰、硝酸鋰、碳酸鋰中的一種或兩種以上。
步驟(5)中所述的金屬氧化物與鋰源的摩爾比1~3:2。
該合成方法工藝簡單、成本低廉,適合鋰的過渡金屬氧化物正極材料的大規(guī)模生產(chǎn),且制備的鋰的過渡金屬氧化物的晶型好、納米到微米的可調(diào)粒徑、特殊形貌及特定晶面取向,用作鋰離子電池正極材料時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性 能。該方法合成的具有尖晶石結(jié)構(gòu)的LiNi0.3Mn1.7O4正極材料1C充放電時(shí),比容量可達(dá)到123mAh/g;并具有不錯(cuò)的倍率性能,40C放電比容量仍可達(dá)到1C時(shí)的70%。另外,利用該方法制備的具有層狀結(jié)構(gòu)的富鋰錳基正極材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O1.98,首次比容量可達(dá)300mAh/g以上。這兩類材料可用作高比功率和高比能鋰離子電池的正極材料,具有廣闊的應(yīng)用前景。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、普適性強(qiáng)、易放大:本發(fā)明提供了一種制備尖晶石結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)的鋰離子電池正極材料的普適性方法,該方法成本低廉、操作簡單,反應(yīng)條件易控制,容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
2、組成多樣、合成與摻雜改性同步:本發(fā)明通過選擇合適的過渡金屬鹽類,能夠制備兩元或多元且具有不同組成比例的過渡金屬氧化物,且可在前驅(qū)體制備階段即可實(shí)現(xiàn)材料的摻雜改性,提高材料的電化學(xué)性能。
3、形貌、尺寸可控:本發(fā)明在制備過程中引入了配位調(diào)節(jié)劑,可有效地調(diào)控金屬-有機(jī)配位聚合物前驅(qū)體的形貌、晶面和尺寸,所制備的過渡金屬氧化物以及鋰的過渡金屬氧化物材料能保持與金屬-有機(jī)配位聚合物前驅(qū)體相似的形貌和尺寸,該方法能夠制備采用其它方法難以得到的具有特殊形貌和不同尺寸的組分復(fù)雜的(兩元或多元)過渡金屬氧化物及其鋰的過渡金屬氧化物材料。
本發(fā)明的優(yōu)異之處在于:
(1)過渡金屬-有機(jī)配位絡(luò)合物:有機(jī)配體中的羧基與Co、Cr、Zr、Cu、Fe、Zn等過渡金屬離子絡(luò)合,再經(jīng)熱處理可制備過渡金屬氧化物。同時(shí),因過渡金屬離子與配體之間的強(qiáng)配位作用可合成出兩元和多元過渡金屬氧化物,并且合成過程中易控制各金屬元素的計(jì)量比,合成條件簡單、易控。
(2)配位調(diào)節(jié)劑:借助配位調(diào)節(jié)劑,過渡金屬-有機(jī)配位絡(luò)合物在較低溫度(<100℃)下于開放的液相反應(yīng)體系中實(shí)現(xiàn)自組裝,合成具有特殊形貌和多級(jí)結(jié)構(gòu)的材料,能夠或更易實(shí)現(xiàn)對(duì)材料粒徑和特定晶面優(yōu)勢生長的調(diào)控;這恰恰是固相合成法、共沉淀法和溶膠凝膠法等傳統(tǒng)方法難以做到的。
(3)廉價(jià)的配體:對(duì)苯二甲酸是產(chǎn)量最大的二元羧酸(4000-5000元/噸),能與多種金屬離子實(shí)現(xiàn)配位,這為制備不同種類和組成的金屬氧化物提供了前驅(qū)體材料的合成基礎(chǔ),且提供了一種普適性強(qiáng)、成本低廉的合成路線。
附圖說明
圖1為實(shí)施例1中的鎳錳-有機(jī)配體聚合物前驅(qū)體材料的掃描電鏡(SEM)照片;
圖2為實(shí)施例1中LiNi0.3Mn1.7O4材料的粉末X射線衍射(XRD)圖;
圖3為實(shí)施例1中的LiNi0.3Mn1.7O4材料的掃描電鏡(SEM)照片:圖4為實(shí)施
例1中的LiNi0.3Mn1.7O4材料在3.5~5.0V內(nèi)1C時(shí)的充放電曲線;
圖5為實(shí)施例1中的LiNi0.3Mn1.7O4材料在1C-5C-10C-15C-20C-40C放電的循環(huán)性能圖;
圖6為實(shí)施例3中的鎳錳-有機(jī)配體聚合物前驅(qū)體材料的掃描電鏡(SEM) 照片;
圖7為實(shí)施例3中的LiNi0.5Mn1.5O4材料的粉末X射線衍射圖;
圖8為實(shí)施例4中的Li1.2Ni0.2Mn0.6O1.98材料的X射線衍射圖;
圖9為實(shí)施例4中Li1.2Ni0.2Mn0.6O1.98材料在2.0~4.8V范圍內(nèi)的充放電曲線。
具體實(shí)施方式
下面的實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步的說明,但并不因此而限制本發(fā)明。
實(shí)施例1
(1)將4mmol Ni(Ac)2·4H2O和12mmol Mn(Ac)2·2H2O溶解于100mL水中,配成溶液A;將16mmol對(duì)苯二甲酸和36mmol NaOH溶解在50mL水中,配成溶液B;攪拌條件下將溶液A緩慢滴加到溶液B中,室溫下攪拌8h,陳化12h;
(2)經(jīng)離心、洗滌、干燥后,得土黃色的前驅(qū)體,在掃描電鏡下,如附圖1所示鎳錳-有機(jī)配體聚合物具有微米級(jí)長片狀形貌,片寬約2~4um,,長度為6~8m。將前驅(qū)體于450℃空氣氣氛中焙燒5h,得到鎳錳氧化物。
(3)經(jīng)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測得鎳錳氧化物中鎳、錳摩爾比為5.5:1,將鎳錳氧化物與過量10%的LiAc·2H2O(計(jì)量比即Ni+Mn與Li摩爾比為2:1)分散在丙酮中,球料比為8:1,球磨4h;
(4)將球磨后的混合物進(jìn)行高溫煅燒:500℃5h+900℃12h,升溫速率為5℃/min即得最終的產(chǎn)物L(fēng)iNi0.3Mn1.7O4。
(5)物化性質(zhì)表征:該材料的X射線衍射圖如附圖2所示,LiNi0.3Mn1.7O4材料為具有尖晶石結(jié)構(gòu)且具有很高的結(jié)晶度。掃描電鏡照片(附圖3)顯示該材料具有8~15m的八面體形貌。
(6)極片制作:將活性物質(zhì)、乙炔黑和粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(簡稱PVDF)以80:10:10的比例在研缽中混合均勻,滴加適量的1-甲基-2-吡咯烷酮研磨20~45min后涂布,刮刀厚度選擇120m;將得到的漿體刮涂在鋁箔上,置于50~80℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥1h,干燥后切片、壓片,真空條件下58℃干燥12h。
(7)電化學(xué)性能測試:將所得的電極材料極片做成CR2016型扣式電池的正極,金屬鋰片作為對(duì)電極,隔膜為Celgard的PP/PE/PP,電解液為1M LiPF6EC/DMC/EMC=1:1:1(w/w),在氬氣氣氛保護(hù)的手套箱(水和氧的含量均小于10ppM)中組裝成電池。如附圖4所示,材料在4.6V左右有較清晰的電壓平臺(tái),這是尖晶石結(jié)構(gòu)的LiNi0.5-xMn1.5+xO4正極材料的顯著特征。1C充放電時(shí),比容量可達(dá)到123mAh/g,并具有不錯(cuò)的倍率性能,如附圖5所示,40C放電比容量仍可達(dá)到1C時(shí)的70%。
實(shí)施例2
采用實(shí)施例1的制備過程,不同之處在于溶液B中加入配位調(diào)節(jié)劑PVP。X射線衍射譜制得的LiNi0.4Mn1.6O3.98具有尖晶石結(jié)構(gòu),且具有300nm*60nm的納米片形貌。以與實(shí)施例1相同的極片制作方法,該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
實(shí)施例3
(1)將4mmol Ni(Ac)2·4H2O和12mmol Mn(Ac)2·2H2O溶解于100mL乙醇,配成溶液A;將16mmol對(duì)苯二甲酸和36mmol NaOH溶解在50mL水中,配成溶液B;攪拌條件下將溶液A緩慢滴加到溶液B中,室溫下攪拌12h,陳化8h;
(2)經(jīng)離心、洗滌、干燥后,得土黃色的前驅(qū)體,掃描電鏡照片如附圖6所示,獲得的鎳錳-有機(jī)配體聚合物前驅(qū)體具有多級(jí)結(jié)構(gòu),一級(jí)結(jié)構(gòu)為200nm*300nm的不規(guī)則的薄片,這些薄片團(tuán)聚形成3~5m的球狀顆粒。將前驅(qū)體于600℃空氣氣氛中焙燒3h,得到鎳錳氧化物。
(3)經(jīng)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測得鎳錳氧化物中鎳、錳摩爾比為3:1,將鎳錳氧化物與過量10%的LiOH·H2O(計(jì)量比即Ni+Mn與Li摩爾比為2:1)分散在丙酮中,球料比為10:1,球磨10h;
(4)將球磨后的混合物進(jìn)行高溫煅燒:500℃5h+800℃12h,升溫速率為5℃/min即得最終的產(chǎn)物L(fēng)iNi0.5Mn1.5O4。
(6)物化性質(zhì)表征和電化學(xué)性能測試:X射線衍射圖(附圖7)所示LiNi0.5Mn1.5O4材料具有尖晶石結(jié)構(gòu)無雜峰出現(xiàn),并具有很高的結(jié)晶度。用作鋰離子電池正極材料時(shí),在3.5~5.0V范圍內(nèi)充放電,可逆容量可達(dá)到120mAh g-1。
實(shí)施例4
采用實(shí)施例3的制備過程,不同之處在于步驟(3)中將鎳錳氧化物與過量10%的LiOH·H2O(計(jì)量比即Ni+Mn與Li摩爾比為2:3),制備得到Li1.2Ni0.2Mn0.6O1.98材料。
X射線衍射譜(附圖8)所示,該材料在20°~25°處具有xLi2MnO3·(1-x)LiMO2材料特有的超晶格衍射峰,且具有層狀結(jié)構(gòu)。以與實(shí)施例3相同的極片制作方法,該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。如附圖9所示,該材料首次充電過程中在4.4V~4.6V處有一較長的電壓平臺(tái),首次比容量可達(dá)300mAh/g以上,可逆放電比容量也可達(dá)到200mAh/g。
實(shí)施例5
(1)將2mmol NiSO4·6H2O、5.4mmol MnSO4·6H2O和0.1mmol Al(NO3)3·9HO和0.1mmol Cr(NO3)3·9HO溶解于100mL水中,配成溶液A;將8mmol對(duì)苯二甲酸、1mmol CTAB和18mmol NaOH溶解在50mL水中,配成溶液B;攪拌條件下將溶液A緩慢滴加到溶液B中,80℃下攪拌10h,陳化10h;
(2)經(jīng)離心、洗滌、干燥后,得土黃色的前驅(qū)體,將前驅(qū)體于450℃空氣氣氛中焙燒5h,得到摻雜有鋁、鉻的鎳錳氧化物。
(3)將摻雜有鋁、鉻的鎳錳氧化物與過量10%的LiAc·2H2O(計(jì)量比即Ni+Mn與Li摩爾比為2:1)分散在丙酮中,球料比為10:1,球磨5h;
(4)將球磨后的混合物進(jìn)行高溫煅燒:500℃5h+1000℃12h,升溫速率為5℃/min即得最終的產(chǎn)物L(fēng)iNi0.5Mn1.45Al0.025Cr0.025O4。
(5)極片制作:將活性物質(zhì)、乙炔黑和粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(簡稱PVDF)以 80:10:10的比例在研缽中混合均勻,滴加適量的1-甲基-2-吡咯烷酮研磨20~45min后涂布,刮刀厚度選擇120m;將得到的漿體刮涂在鋁箔上,置于50~80℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥1h,干燥后切片、壓片,真空條件下58℃干燥12h。
(7)電化學(xué)性能測試:將所得的電極材料極片做成CR2016型扣式電池的正極,金屬鋰片作為對(duì)電極,隔膜為Celgard的PP/PE/PP,電解液為1M LiPF6EC/DMC/EMC=1:1:1(w/w),在氬氣氣氛保護(hù)的手套箱(水和氧的含量均小于10ppM)中組裝成電池。材料在4.7V左右有較清晰的電壓平臺(tái),這是尖晶石結(jié)構(gòu)的LiNi0.5Mn1.5O4類正極材料的顯著特征。1C充放電時(shí),比容量可達(dá)到118mAh/g。